JP7353786B2 - rotor of rotating electric machine - Google Patents

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Description

この発明の実施形態は、回転電機の回転子に関する。 Embodiments of the present invention relate to a rotor of a rotating electrical machine.

回転電機として、同期リラクタンスモータが提供されている。このリラクタンスモータの回転子には、非磁性体で構成されたフラックスバリアが設けられている。回転子鉄心とフラックスバリアとの透磁率の違いによって突極性を得ることにより、トルクを発生する。非磁性体（比透磁率がほぼ１である）の代表例としては空気が挙げられる。このため、インバータ駆動形の同期リラクタンスモータの実用例としては，フラックスバリアを空洞（何も充填しない）とすることが多い。 A synchronous reluctance motor is provided as a rotating electric machine. The rotor of this reluctance motor is provided with a flux barrier made of a non-magnetic material. Torque is generated by obtaining saliency due to the difference in magnetic permeability between the rotor core and the flux barrier. Air is a typical example of a non-magnetic material (having a relative magnetic permeability of approximately 1). For this reason, in practical examples of inverter-driven synchronous reluctance motors, the flux barrier is often made hollow (not filled with anything).

一方、アルミニウムや銅なども非磁性体であるが、これらは同時に導電体でもある。そのため、アルミニウムや銅などをフラックスバリアに充填することで二次導体を構成することができる。すなわち，非同期状態（固定子の回転磁界の回転速度と回転子の物理的な回転速度が一致せず、滑っている状態）においては、誘導トルクが発生するため、商用直入れ運転が可能な自己始動形の同期リラクタンスモータを実現することが可能となる。
自己始動型の同期リラクタンスモータは、駆動用のインバータが不要となるため、モータドライブシステム全体としての効率を改善することができ、システムコストも削減することができる。 On the other hand, although aluminum and copper are also nonmagnetic materials, they are also electrical conductors. Therefore, a secondary conductor can be formed by filling the flux barrier with aluminum, copper, or the like. In other words, in an asynchronous state (a state in which the rotational speed of the stator's rotating magnetic field and the physical rotational speed of the rotor do not match, and the rotor is slipping), induced torque is generated, so it is possible to It becomes possible to realize a starting type synchronous reluctance motor.
Since a self-starting synchronous reluctance motor does not require a driving inverter, it is possible to improve the efficiency of the motor drive system as a whole and reduce system costs.

特許第４０９８９３９号公報Patent No. 4098939 特許第４５８８２５５号公報Patent No. 4588255

しかしながら、従来の技術では、十分な誘導トルクを確保できず、要求仕様を満足する始動性能が得られないという問題がある。例えば、同一出力の負荷であっても、慣性モーメントが大きいリラクタンスモータにおいては、同期速度まで加速できない（同期引き入れできない）場合がある。
誘導トルクを大きくするためには、二次導体の断面積を大きくして、二次抵抗を小さくする必要がある。しかし、二次導体の面積を大きくした場合、回転子の磁気的なバランスが崩れ、回転子の突極性が低下する。すなわち、同期引き入れできても、同期運転時のトルクや力率が低く、同期リラクタンスモータとしての性能を十分に発揮することが困難となる。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、リラクタンストルクを低下させることなく、誘導トルクを大きくすることができる回転電機の回転子を提供することにある。 However, with the conventional technology, there is a problem in that sufficient induction torque cannot be secured and starting performance that satisfies the required specifications cannot be obtained. For example, even if the load has the same output, a reluctance motor with a large moment of inertia may not be able to accelerate to a synchronous speed (unable to be synchronously pulled in).
In order to increase the induced torque, it is necessary to increase the cross-sectional area of the secondary conductor to decrease the secondary resistance. However, when the area of the secondary conductor is increased, the magnetic balance of the rotor is lost and the saliency of the rotor is reduced. That is, even if synchronous pull-in is possible, the torque and power factor during synchronous operation are low, making it difficult to fully demonstrate the performance as a synchronous reluctance motor.
This invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a rotor for a rotating electrical machine that can increase induction torque without reducing reluctance torque.

実施形態によれば、回転電機の回転子は、中心軸線の回りで回転自在なシャフトと、円周方向に並んだ４つの磁極を有し前記シャフトに同軸的に固定された回転子鉄心と、を備えている。前記中心軸線に直交する前記回転子鉄心の横断面において、隣合う磁極間の境界および前記中心軸線を通り径方向に延在する軸をｄ軸、前記ｄ軸に対して磁気的に直交する軸をｑ軸とすると、前記回転子鉄心は、周方向に隣合う２つのｑ軸間の領域において径方向に間隔を置いて並んで形成された複数層のバリア領域を有している。各バリア領域は、前記回転子鉄心の外周面の一部の近傍から前記ｄ軸を通って前記外周面の他の部分の近傍まで延在するフラックスバリアと、前記フラックスバリアの一端と前記外周面との間に位置する回転子鉄心で形成された第１ブリッジ部と、前記フラックスバリアの他端と前記外周面との間に位置する回転子鉄心で形成された第２ブリッジ部と、を有し、少なくとも最も前記外周面側に設けられた前記バリア領域のフラックスバリアに非磁性導電体が充填されている。前記外周面に接する外接円の半径をＲ、周方向に隣合う２つのｑ軸をＸ座標およびＹ座標とする双曲線の方程式をｘｙ－ａ＝０としたとき、前記径方向において最も前記外周面側に設けられた前記バリア領域を規定している前記外周面側のバリア側縁が前記外接円と一致し、前記中心軸側のバリア側縁が前記双曲線に沿って延び、さらに、０．５５＜ ２ａ／Ｒ２ ＜０．８４の範囲内に位置している。 According to an embodiment, a rotor of a rotating electric machine includes a shaft rotatable around a central axis, a rotor core having four magnetic poles arranged in a circumferential direction and coaxially fixed to the shaft. , is equipped with. In a cross section of the rotor core perpendicular to the central axis, an axis extending radially through the boundary between adjacent magnetic poles and the central axis is a d-axis, and an axis magnetically perpendicular to the d-axis. When the q-axis is the q-axis, the rotor core has a plurality of barrier regions formed in a line at intervals in the radial direction in a region between two q-axes adjacent in the circumferential direction . Each barrier region includes a flux barrier extending from near a part of the outer peripheral surface of the rotor core through the d-axis to near another part of the outer peripheral surface, and one end of the flux barrier and the outer peripheral surface. a first bridge portion formed of a rotor core located between the flux barrier and a second bridge portion formed of a rotor core located between the other end of the flux barrier and the outer peripheral surface. However, at least the flux barrier in the barrier region provided closest to the outer peripheral surface is filled with a nonmagnetic conductor. When the radius of the circumscribed circle in contact with the outer circumferential surface is R, and the equation of a hyperbola where the X and Y coordinates are the two q axes adjacent in the circumferential direction is xy-a=0, the outer circumferential surface closest to the outer circumferential surface in the radial direction The barrier side edge on the outer circumferential surface side defining the barrier area provided on the side coincides with the circumscribed circle, the barrier side edge on the central axis side extends along the hyperbola, and further has a diameter of 0.55 <2a/R 2 <0.84.

図１は、実施形態に係る回転電機の横断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view of a rotating electric machine according to an embodiment. 図２は、前記回転電機の回転子の周方向に隣合う２つのｑ軸間の領域（１磁極間部分と称する）を拡大して示す横断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view showing an enlarged area between two q-axes adjacent in the circumferential direction of the rotor of the rotating electrical machine (referred to as a portion between one magnetic pole) . 図３は、前記回転子の各バリア領域のフラックスバリアに非磁性導電体を充填した場合の誘導トルクの発生状態を比較して示す図。FIG. 3 is a diagram showing a comparison of the induced torque generation state when the flux barrier in each barrier region of the rotor is filled with a nonmagnetic conductor. 図４は、回転子鉄心の外周に接する半径Ｒの外接円と比例定数ａの双曲線ｇを示す図。FIG. 4 is a diagram showing a circumcircle with a radius R that is in contact with the outer periphery of the rotor core and a hyperbola g of the proportionality constant a. 図５は、バリア領域が最外層の１層の場合の誘導トルクとリラクタンストルクとの関係を示す図。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between induced torque and reluctance torque when the barrier region is one outermost layer. 図６は、バリア領域が複数層設けられた回転子における誘導トルクとリラクタンストルクとの関係を示す図。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between induced torque and reluctance torque in a rotor in which a plurality of barrier regions are provided. 図７は、複数層のバリア領域が設けられた回転子において、最外層のバリア領域の形成位置を種々変化させた場合の回転子鉄心の１磁極間部分の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of a portion between one magnetic pole of a rotor core when the formation position of the outermost layer barrier region is variously changed in a rotor provided with a plurality of layers of barrier regions. 図８は、前記回転子の１磁極間部分を拡大して示す横断面図。FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of a portion between one magnetic pole of the rotor.

以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。 Embodiments will be described below with reference to the drawings. Note that common components throughout the embodiments are denoted by the same reference numerals, and redundant explanations will be omitted. In addition, each figure is a schematic diagram to promote the embodiment and its understanding, and the shape, dimensions, ratio, etc. may differ from the actual device, but these are based on the following explanation and known technology. The design can be changed as appropriate.

（実施形態）
図１は、実施形態に回転電機の横断面図、図２は、回転子の１磁極分を拡大して示す断面図である。
図１に示すように、回転電機１０は、例えば、インナーロータ型の回転電機として構成され、図示しない固定枠に支持された環状あるいは円筒状の固定子１２と、固定子の内側に中心軸線Ｃの回りで回転自在に、かつ固定子１２と同軸的に支持された回転子１４と、を備えている。実施形態において、回転電機１０は、自己始動型のリラクタンスモータを構成している。 (Embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a rotating electrical machine according to an embodiment, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of one magnetic pole of a rotor.
As shown in FIG. 1, the rotating electric machine 10 is configured as, for example, an inner rotor type rotating electric machine, and includes an annular or cylindrical stator 12 supported by a fixed frame (not shown), and a center axis C formed inside the stator. The rotor 14 is rotatably supported around the stator 12 and coaxially with the stator 12. In the embodiment, the rotating electrical machine 10 constitutes a self-starting reluctance motor.

固定子１２は、円筒状の固定子鉄心１６と固定子鉄心１６に巻き付けられた電機子巻線１８とを備えている。固定子鉄心１６は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの円環状の電磁鋼板を多数枚、同芯状に積層して構成されている。固定子鉄心１６は、軟磁性粉を加圧成形して形成することも可能である。固定子鉄心１６の内周部には、複数のスロット２０が形成されている。複数のスロット２０は、円周方向に等間隔を置いて並んでいる。各スロット２０は、固定子鉄心１６の内周面に開口し、この内周面から放射方向に延出している。また、各スロット２０は、固定子鉄心１６の軸方向の全長に亘って延在している。複数のスロット２０を形成することにより、固定子鉄心１６の内周部は、回転子１４に面する複数（例えば、本実施形態では４８個）の固定子ティース２１を構成している。複数のスロット２０に電機子巻線１８が埋め込まれ、各固定子ティース２１に図示しないインシュレータや絶縁被膜を介して巻き付けられている。電機子巻線１８に電流を流すことにより、固定子１２（固定子ティース２１）に所定の鎖交磁束が形成される。 The stator 12 includes a cylindrical stator core 16 and an armature winding 18 wound around the stator core 16. The stator core 16 is constructed by concentrically laminating a large number of annular electromagnetic steel plates made of magnetic material, such as silicon steel. The stator core 16 can also be formed by pressure molding soft magnetic powder. A plurality of slots 20 are formed in the inner peripheral portion of the stator core 16. The plurality of slots 20 are arranged at equal intervals in the circumferential direction. Each slot 20 opens in the inner circumferential surface of the stator core 16 and extends radially from the inner circumferential surface. Further, each slot 20 extends over the entire length of the stator core 16 in the axial direction. By forming the plurality of slots 20, the inner peripheral portion of the stator core 16 constitutes a plurality of (for example, 48 in this embodiment) stator teeth 21 facing the rotor 14. Armature windings 18 are embedded in the plurality of slots 20 and are wound around each stator tooth 21 via an insulator or insulation coating (not shown). By passing a current through the armature winding 18, a predetermined flux linkage is formed in the stator 12 (stator teeth 21).

回転子１４は、円柱形状のシャフト（回転軸）２２と、このシャフト２２の軸方向ほぼ中央部に同軸的に固定された円柱形状の回転子鉄心２４と、を有している。シャフト２２は、図示しない軸受により中心軸線Ｃの回りで回転自在に支持されている。回転子１４は、固定子１２の内側に僅かな隙間（エアギャップ）を置いて同軸的に配置されている。すなわち、回転子鉄心２４の外周面は、僅かな隙間をおいて、固定子１２の内周面に対向している。回転子鉄心２４は中心軸線Ｃと同軸的に形成された内孔２５を有している。シャフト２２は内孔２５に挿通および嵌合され、回転子鉄心２４と同軸的に延在している。回転子鉄心２４は、磁性材、例えば、ケイ素鋼などの円環状の電磁鋼板を多数枚、同芯状に積層した積層体として構成されている。回転子鉄心２４は、軟磁性粉を加圧成形して形成することも可能である。 The rotor 14 has a cylindrical shaft (rotation shaft) 22 and a cylindrical rotor core 24 coaxially fixed to substantially the center of the shaft 22 in the axial direction. The shaft 22 is rotatably supported around the central axis C by a bearing (not shown). The rotor 14 is coaxially arranged inside the stator 12 with a slight air gap. That is, the outer circumferential surface of the rotor core 24 faces the inner circumferential surface of the stator 12 with a slight gap therebetween. The rotor core 24 has an inner hole 25 formed coaxially with the central axis C. The shaft 22 is inserted into and fitted into the inner hole 25 and extends coaxially with the rotor core 24 . The rotor core 24 is configured as a laminate in which a large number of annular electromagnetic steel plates made of magnetic material, such as silicon steel, are laminated concentrically. The rotor core 24 can also be formed by pressure molding soft magnetic powder.

本実施形態において、回転子１４は、複数磁極、例えば、４磁極に設定されている。回転子鉄心２４において、中心軸線Ｃと直交する方向を径方向、中心軸線Ｃ回りに周回する方向を周方向と称する。また、中心軸線Ｃおよび隣合う磁極間の境界を通り中心軸線Ｃに対して径方向あるいは放射方向に延びる軸をｄ軸、およびｄ軸に対して電気的、磁気的に直交する軸をｑ軸と称する。ここでは、固定子１２によって形成される鎖交磁束の流れ易い方向をｑ軸としている。ｄ軸およびｑ軸は、回転子鉄心２４の円周方向に交互に、かつ、所定の位相で設けられている。回転子鉄心２４の１磁極間部分とは、隣合う２本のｑ軸間の領域（１／４周の周角度領域）をいう。このため、回転子鉄心２４は、４極（磁極）に構成されている。１磁極間部分のうちの周方向中央はｄ軸となる。 In this embodiment, the rotor 14 has multiple magnetic poles, for example, four magnetic poles. In the rotor core 24, the direction perpendicular to the center axis C is called the radial direction, and the direction around the center axis C is called the circumferential direction. In addition, the d-axis is the axis that passes through the central axis C and the boundary between adjacent magnetic poles and extends in the radial or radial direction with respect to the central axis C, and the q-axis is the axis that is electrically and magnetically orthogonal to the d-axis. It is called. Here, the direction in which the interlinkage magnetic flux formed by the stator 12 tends to flow is defined as the q-axis. The d-axis and the q-axis are provided alternately in the circumferential direction of the rotor core 24 and at a predetermined phase. The portion between one magnetic pole of the rotor core 24 refers to the area between two adjacent q-axes (circumferential angle area of 1/4 circumference). Therefore, the rotor core 24 is configured to have four poles (magnetic poles). The circumferential center of the portion between one magnetic pole is the d-axis.

図２は、回転子の１磁極間部分（周方向に隣合う２つのｑ軸間の領域）、すなわち、１／４周の周角度領域分を示す断面図である。図１および図２に示すように、回転子鉄心２４は、１磁極間部分ごとに、複数層、例えば、４層のバリア領域３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを有している。各１磁極間部分において、４層のバリア領域３０ａ～３０ｄは、回転子鉄心２４の径方向（ｄ軸方向）に互いに間隔を置いて、中心軸線Ｃ側から外周面側に順に並んで設けられている。すなわち、バリア領域３０ａ～３０ｄの各々は、回転子鉄心２４の外周面におけるある箇所からｄ軸を通り外周面の他の箇所に至り、中心軸線Ｃに向かって凸状に湾曲して延在している。複数のバリア領域３０ａ～３０ｄは、固定子１２により形成された磁束が通過する複数の磁路の間に形成され、各磁路を区画している。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a portion between one magnetic pole of the rotor (an area between two circumferentially adjacent q-axes) , that is, a circumferential angle area of 1/4 turn. As shown in FIGS. 1 and 2, the rotor core 24 has a plurality of layers, for example, four layers of barrier regions 30a, 30b, 30c, and 30d for each magnetic pole-to-pole portion . In each magnetic pole-to-pole portion , four barrier regions 30a to 30d are arranged in order from the central axis C side to the outer circumferential surface side at intervals from each other in the radial direction (d-axis direction) of the rotor core 24. ing. That is, each of the barrier regions 30a to 30d extends from a certain point on the outer circumferential surface of the rotor core 24 through the d-axis to another point on the outer circumferential surface, and curves convexly toward the central axis C. ing. The plurality of barrier regions 30a to 30d are formed between the plurality of magnetic paths through which the magnetic flux formed by the stator 12 passes, and partition each magnetic path.

本実施形態において，各バリア領域３０ａ～３０ｄは、ｄ軸を中心とするほぼ双曲線状に延在するフラックスバリア（空隙層）３２と、フラックスバリア３２の一端と外周面との間に位置する鉄心で形成された薄肉連結部（第１ブリッジ部）３２ａと、フラックスバリア３２の他端と外周面との間に位置する鉄心で形成された薄肉連結部（第２ブリッジ部）３２ｂと、を有している。
例えば、最も内周側に設けられたバリア領域３０ａにおいて、フラックスバリア３２の一端は、外周面の近傍、かつ、一方のｑ軸の近傍に位置し、フラックスバリア３２の他端は外周面の近傍、かつ、他方のｑ軸の近傍に位置している。フラックスバリア３２は、上記一端から他端まで、ｑ軸に沿うと共に周方向の中央部が最も径方向内側に位置するように、外周側から径方向内側の中心軸線Ｃに向かって凸形状に湾曲して延在している。
２層目、３層目、および最外層のバリア領域３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、最内層のバリア領域３０ａに対して、ｄ軸方向に間隔を置いて並んでいる。なお、バリア領域は、４層に限らず、２層、３層、あるいは５層以上に形成されてもよい。また、各フラックスバリアは、連続した一層に限らず、複数に分割されたバリア層としてもよい。 In this embodiment, each of the barrier regions 30a to 30d includes a flux barrier (void layer) 32 extending in a substantially hyperbolic shape centered on the d-axis, and an iron core located between one end of the flux barrier 32 and the outer peripheral surface. and a thin connecting portion (second bridge portion) 32b formed of an iron core located between the other end of the flux barrier 32 and the outer peripheral surface. are doing.
For example, in the barrier region 30a provided on the innermost side, one end of the flux barrier 32 is located near the outer peripheral surface and near one of the q-axes, and the other end of the flux barrier 32 is located near the outer peripheral surface. , and is located near the other q-axis. The flux barrier 32 is curved in a convex shape from the outer circumferential side toward the center axis C radially inward along the q-axis from the one end to the other end such that the circumferential center portion is located most radially inward. and has been extended.
The second layer, third layer, and outermost layer barrier regions 30b, 30c, and 30d are arranged at intervals in the d-axis direction with respect to the innermost layer barrier region 30a. Note that the barrier region is not limited to four layers, but may be formed in two, three, or five or more layers. Furthermore, each flux barrier is not limited to one continuous layer, but may be a barrier layer divided into a plurality of layers.

少なくとも最外層のバリア領域３０ｄのフラックスバリア３２には、アルミニウム、銅等の非磁性導電体が充填され、２次導体３４を構成している。本実施形態では、４層のバリア領域３０ａ～３０ｄのフラックスバリア３２に非磁性導電体が充填され、それぞれ２次導体３４を構成している。これらの２次導体３４は、回転子鉄心２４の軸方向一端に設けられた図示しない短絡部材により互いに短絡され、二次巻線を構成している。 At least the flux barrier 32 in the outermost layer barrier region 30d is filled with a non-magnetic conductor such as aluminum or copper to form a secondary conductor 34. In this embodiment, the flux barrier 32 of the four barrier regions 30a to 30d is filled with a nonmagnetic conductor, and each constitutes a secondary conductor 34. These secondary conductors 34 are short-circuited to each other by a short-circuiting member (not shown) provided at one end of the rotor core 24 in the axial direction, and constitute a secondary winding.

先に説明したように、バリア領域は略双曲線状に複数層設けられている。図３は、各バリア領域のフラックスバリア３２に非磁性導電体を充填した場合に、各２次導体領域がどの程度の誘導トルクを発生しているかを比較して示している。図示のように、誘導トルクのほとんどは、最も回転子１４の外周面に近い、最外周側のバリア領域３０ｄのフラックスバリア３２に充填された２次導体３４で発生していることが分かる。これは、外周面に近い２次導体３４の方が、鎖交するｑ軸磁束が多いためである。すなわち、誘導トルクを大きくするためには、フラックスバリア３２の面積を大きくし、そこに非磁性導電体を充填することが効果的である。以下では，バリア領域３０ｄのフラックスバリア３２をどの程度まで大きくすることが可能であるか検証する。 As described above, the barrier region is provided in multiple layers in a substantially hyperbolic shape. FIG. 3 shows a comparison of how much induced torque is generated in each secondary conductor region when the flux barrier 32 in each barrier region is filled with a non-magnetic conductor. As shown in the figure, it can be seen that most of the induced torque is generated in the secondary conductor 34 filled in the flux barrier 32 in the outermost barrier region 30d closest to the outer peripheral surface of the rotor 14. This is because the secondary conductor 34 closer to the outer peripheral surface has more interlinked q-axis magnetic flux. That is, in order to increase the induced torque, it is effective to increase the area of the flux barrier 32 and fill it with a nonmagnetic conductor. Below, we will examine how large the flux barrier 32 in the barrier region 30d can be made to be.

図４は、回転子鉄心の外周に接する半径Ｒの外接円ｆ（ｘ、ｙ）＝０と、比例定数ａの双曲線ｇ（ｘ、ｙ）＝０を表している。図４において、互いに直交するＸ座標およびＹ座標は、それぞれｑ軸に対応しているものとしている。図４では、外接円ｆおよび双曲線ｇは

Figure 0007353786000001

となる。これらの曲線で囲まれた領域の面積Ｓは、次式のように算出することができる。
Figure 0007353786000002
上記式において、ｔ＝２ａ／Ｒ２であり、ｔをバリア定数と称することにする。ｆ（ｘ、ｙ）＝０とｇ（ｘ、ｙ）＝０とで囲まれた面積が存在する（２つの交点を持つ）という条件から、０≦ｔ＜１となる。 FIG. 4 shows a circumscribed circle f(x, y)=0 with a radius R that is in contact with the outer periphery of the rotor core, and a hyperbola g(x, y)=0 of the proportionality constant a. In FIG. 4, the X and Y coordinates, which are orthogonal to each other, each correspond to the q-axis. In Figure 4, the circumscribed circle f and the hyperbola g are
Figure 0007353786000001
becomes. The area S of the region surrounded by these curves can be calculated as shown in the following equation.
Figure 0007353786000002
In the above formula, t=2a/R 2 and t will be referred to as a barrier constant. From the condition that an area surrounded by f(x, y)=0 and g(x, y)=0 exists (has two intersections), 0≦t<1.

外接円：ｆ（ｘ、ｙ）＝０が回転子鉄心の外周を表し、この外接円と双曲線ｇ（ｘ，ｙ）＝０とで囲まれた領域が２次導体領域、ｇ（ｘ、ｙ）＜０の領域が鉄心部となっている場合を考える。電機子巻線から与えられる磁位は、ほぼ正弦波状に分布しており、固定子内周と回転子外周との間のギャップに発生する磁束密度もほぼ正弦波状に分布していると考えられる。従って、ｑ軸磁束を発生たせた場合のギャップの磁束密度Ｂｑは，以下のように表すことができる。

Figure 0007353786000003

ただし、θは、極座標で表した時の周方向成分である。ｆ（ｘ，ｙ）＝０とｇ（ｘ，ｙ）＝０との交点のうち、ｘ軸に近い交点をＡとすれば、極座標表示において、
（ｒ、θ）＝（Ｒ，（ｓｉｎ―１ｔ）／２）となる。従って、ｑ軸磁束Фｑは、Ｂｑをｘ軸から交点Ａに向かって積分した結果に比例する。
Figure 0007353786000004
ｑ軸磁束Фｑが角速度ωで変化しているとすれば、ファラデーの法則により、２次導体領域には誘起電圧Ｖが発生する。
Figure 0007353786000005
２次導体領域の抵抗値が、２次導体領域の面積Ｓに反比例することから、２次導体領域に流れる電流Ｉは、次のように表される。
Figure 0007353786000006
この時発生する誘導トルクＴｍは、電流Ｉと磁束Фｑに比例するため、次のように書ける。
Figure 0007353786000007
 Circumscribed circle: f (x, y) = 0 represents the outer periphery of the rotor core, and the area surrounded by this circumscribed circle and the hyperbola g (x, y) = 0 is the secondary conductor area, g (x, y )<0 is considered to be the iron core. The magnetic potential given by the armature winding is distributed almost sinusoidally, and the magnetic flux density generated in the gap between the inner circumference of the stator and the outer circumference of the rotor is also thought to be distributed almost sinusoidally. . Therefore, the magnetic flux density Bq of the gap when the q-axis magnetic flux is generated can be expressed as follows.
Figure 0007353786000003
However, θ is a circumferential component when expressed in polar coordinates. Among the intersections of f (x, y) = 0 and g (x, y) = 0, if the intersection closest to the x-axis is A, then in polar coordinates,
(r, θ)=(R, (sin −1 t)/2). Therefore, the q-axis magnetic flux Фq is proportional to the result of integrating Bq from the x-axis toward the intersection A.
Figure 0007353786000004
If the q-axis magnetic flux Фq is changing at an angular velocity ω, an induced voltage V is generated in the secondary conductor region according to Faraday's law.
Figure 0007353786000005
Since the resistance value of the secondary conductor region is inversely proportional to the area S of the secondary conductor region, the current I flowing through the secondary conductor region is expressed as follows.
Figure 0007353786000006
The induced torque Tm generated at this time is proportional to the current I and the magnetic flux Фq, so it can be written as follows.
Figure 0007353786000007

次に、リラクタンストルクＴｒを考える。リラクタンストルクＴｒは、ｄ軸の磁束とｑ軸の磁束との差によって生じる。ｑ軸磁束Фｑと同様の考え方で、ｄ軸磁束Фｄを計算すると、次のようになる。

Figure 0007353786000008

従って、リラクタンストルクＴｒは次のように書ける。
Figure 0007353786000009
ＴｍとＴｒを図示すると、図５のようになる。ただし、ＴｍとＴｒの最大値でそれぞれ規格化している。図５に示すように、Ｔｍはｔ＝０．５５で最大となり、Ｔｒはｔ＝０．７１で最大となる。したがって，理論上は、ｔ＝０．７１となるようにバリア領域３０ｄを配置すれば，リラクタンストルクＴｒを低下させることなく，誘導トルクＴｍが最大化できる。また、ｔ＝０．５５とすれば、リラクタンストルクＴｒの低下を最小限に抑えながら、誘導トルクＴｍを最大化することができる。このように、リラクタンストルクを優先した設計（定常特性重視）とするか、誘導トルクを最大化した設計（始動特性重視）とするかによって、０．５５＜ｔ＜０．７１の範囲でｔを使い分けることが望ましい。
なお，特許第４５８８２５５号と同様に極孤率θとして考えた場合、次のように換算することができる。
Figure 0007353786000010
よって、ｔ＝０．５５はθ＝５７度、ｔ＝０．７１はθ＝４５度、ｔ＝０．８４はθ＝３３度にそれぞれ対応する。 Next, consider the reluctance torque Tr. The reluctance torque Tr is generated by the difference between the d-axis magnetic flux and the q-axis magnetic flux. Using the same concept as the q-axis magnetic flux Фq, the d-axis magnetic flux Фd is calculated as follows.
Figure 0007353786000008
Therefore, the reluctance torque Tr can be written as follows.
Figure 0007353786000009
FIG. 5 shows Tm and Tr. However, they are each standardized by the maximum values of Tm and Tr. As shown in FIG. 5, Tm reaches its maximum at t=0.55, and Tr reaches its maximum at t=0.71. Therefore, in theory, if the barrier region 30d is arranged so that t=0.71, the induced torque Tm can be maximized without reducing the reluctance torque Tr. Moreover, if t=0.55, the induced torque Tm can be maximized while minimizing the decrease in the reluctance torque Tr. In this way, depending on whether the design prioritizes reluctance torque (emphasis on steady state characteristics) or the design that maximizes induced torque (emphasis on starting characteristics), t can be set in the range of 0.55<t<0.71. It is desirable to use them properly.
Note that when considered as the polar polarity θ similarly to Patent No. 4588255, it can be converted as follows.
Figure 0007353786000010
Therefore, t=0.55 corresponds to θ=57 degrees, t=0.71 corresponds to θ=45 degrees, and t=0.84 corresponds to θ=33 degrees.

これまでの考察は、図４に示したように、バリア領域を最外周層の１層だけ設けた場合の理論検討をベースとしている。しかし、通常、リラクタンストルクをより大きくするために、バリア領域は複数層設けられる。すなわち、本実施形態のように、バリア領域３０ｄよりも中心軸線Ｃに近い位置にバリア領域３０ｃ、３０ｂ、３０ａなどが設けられる。この場合、バリア領域３０ｄだけでなく、バリア領域３０ｃ、３０ｂ、３０ａによってもリラクタンストルクが発生する。そのため、リラクタンス卜ルクを最大化するバリア定数tの値は、０．７１から変化することが予想される。 The discussion so far has been based on theoretical studies in the case where only one layer, the outermost peripheral layer, is provided as a barrier region, as shown in FIG. However, in order to increase the reluctance torque, a plurality of barrier regions are usually provided. That is, as in this embodiment, the barrier regions 30c, 30b, 30a, etc. are provided at positions closer to the central axis C than the barrier region 30d. In this case, reluctance torque is generated not only by the barrier region 30d but also by the barrier regions 30c, 30b, and 30a. Therefore, the value of the barrier constant t that maximizes the reluctance is expected to vary from 0.71.

そこで、バリア領域３０ｃ、３０ｂ、３０ａを設けた構成において、最外層のバリア領域３０ｄのみを変化させた場合のトルクを磁界解析によって計算した。図７（ａ）～（ｄ）は、バリア領域３０ｄを種々変化させた場合の回転子鉄心の１磁極分の横断面を示している。図示のように、バリア定数ｔが小さくなる程、バリア領域３０ｄの占める領域が大きくなっている。例えば、図７（ａ）は、ｔ＝０の場合の横断面を示し、図７（ｄ）は、ｔ＝０．７の場合の横断面を示している。
図６は、トルクの解析結果を示している。なお、あるバリア定数ｔを固定した時に、電流の位相角を変化させた計算を行い、トルクが最大となる位相で得られた値をプロッ卜している。このように、複数層のバリア領域（フラックスバリア）が設けられている場合、バリア領域３０ｄが消滅するｔ＝１の条件においても、バリア領域３０ｃ、３０ｂ、３０ａによってリラクタンストルクＴｒが発生している。そのため、リラクタンストルクが最大となるのはｔ＝０．８４となり、バリア領域を１層だけ設けた場合の理論計算で得られた値ｔ＝０．７１よりも大きくなっている。その結果、最適なバリア定数ｔの設定値は、０．５５＜ｔ＜０．８４となる。リラクタンストルク効率を重視した場合、バリア定数ｔ（２ａ／Ｒ２）の設定値は、０．５５＜ｔ＜０．７８に設定されていることが望ましい。 Therefore, in a configuration in which barrier regions 30c, 30b, and 30a are provided, the torque when only the outermost layer barrier region 30d is changed was calculated by magnetic field analysis. FIGS. 7A to 7D show cross sections of one magnetic pole of the rotor core when the barrier region 30d is varied in various ways. As shown in the figure, the smaller the barrier constant t, the larger the area occupied by the barrier region 30d . For example, FIG. 7(a) shows a cross section when t=0, and FIG. 7(d) shows a cross section when t=0.7.
FIG. 6 shows the torque analysis results. Note that when a certain barrier constant t is fixed, calculations are performed while changing the phase angle of the current, and the values obtained at the phase where the torque is maximum are plotted. In this way, when multiple layers of barrier regions (flux barriers) are provided, reluctance torque Tr is generated by the barrier regions 30c, 30b, and 30a even under the condition of t=1 when the barrier region 30d disappears. . Therefore, the maximum reluctance torque is t=0.84, which is larger than the value t=0.71 obtained by theoretical calculation when only one barrier region is provided. As a result, the optimal set value of the barrier constant t is 0.55<t<0.84. When emphasis is placed on reluctance torque efficiency, the set value of the barrier constant t(2a/R 2 ) is preferably set to 0.55<t<0.78.

図８に示すように、最外層のバリア領域３０ｄのフラックスバリア３２は、内周側縁（バリア側縁）３５ａとこれに隙間をおいて対向する外周側縁３５ｂとの間に規定されている。そして、内周側縁（バリア側縁）３５ａがｔ＝０．８４の双曲線とｔ＝０．５５の双曲線との間の領域内に位置するようにフラックスバリア３２を形成している。これにより、リラクタンストルクＴｒを低下させることなく、誘導トルクＴｍを大きくすることができる回転電機の回転子が得られる。
なお、バリア領域の層数を変えた場合、トルクリップルなどの脈動成分が大きく変化するが、実際の出力に寄与する平均トルクは大きく変化しない。すなわち、本実施形態では、バリア領域を４層設けているが、３層以下、あるいは５層以上の場合においても、上記と同様の傾向が得られるものと考えられる。
また、フラックスバリア３２の内周側縁（バリア側縁）３５ａの形状は完全な双曲線でなくてもよい。すなわち、フラックスバリア３２の内周側縁３５ａは、前述した領域０．５５～０．８４の範囲内に延在していればよく、バスタブ形のような多角形でもよいし、円弧に近似した形状としてもよい。 As shown in FIG. 8, the flux barrier 32 of the outermost layer barrier region 30d is defined between an inner peripheral side edge (barrier side edge) 35a and an outer peripheral side edge 35b opposing this with a gap. . The flux barrier 32 is formed such that the inner peripheral side edge (barrier side edge) 35a is located within a region between the hyperbola of t=0.84 and the hyperbola of t=0.55. Thereby, a rotor of a rotating electric machine is obtained that can increase the induction torque Tm without reducing the reluctance torque Tr.
Note that when the number of layers in the barrier region is changed, pulsation components such as torque ripples change significantly, but the average torque that contributes to the actual output does not change significantly. That is, in this embodiment, four layers of barrier regions are provided, but it is thought that the same tendency as described above can be obtained even when there are three or less layers, or five or more layers.
Moreover, the shape of the inner peripheral side edge (barrier side edge) 35a of the flux barrier 32 does not have to be a perfect hyperbola. That is, the inner circumferential side edge 35a of the flux barrier 32 only needs to extend within the above-mentioned range of 0.55 to 0.84, and may have a polygonal shape such as a bathtub shape, or a polygonal shape similar to a circular arc. It may also be a shape.

なお、この発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、実施形態では、４磁極の回転子を示しているが、これに限らず、回転子は、２磁極あるいは６磁極の回転子としてもよい。回転子の磁極数、寸法、形状、バリア領域の層数等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, but can be implemented by modifying the constituent elements within the scope of the invention at the implementation stage. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining the plurality of components disclosed in the above embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiments. Furthermore, components of different embodiments may be combined as appropriate.
For example, in the embodiment, a rotor with four magnetic poles is shown, but the rotor is not limited to this, and the rotor may have two magnetic poles or a rotor with six magnetic poles. The number of magnetic poles, dimensions, shape, number of layers of the barrier region, etc. of the rotor are not limited to the above-described embodiments, and can be variously changed according to the design.

１０…回転電機、１２…固定子、１４…回転子、１６…固定子鉄心、
１８…電機子巻線、２０…スロット、２２…シャフト、２４…回転子鉄心、
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ…バリア領域、３２…フラックスバリア、
３２ａ…第１ブリッジ部、３２ｂ…第２ブリッジ部、３４…２次導体、
３５ａ…内周側縁（バリア側縁）、３５ｂ…外周側縁 10... Rotating electric machine, 12... Stator, 14... Rotor, 16... Stator core,
18... Armature winding, 20... Slot, 22... Shaft, 24... Rotor core,
30a, 30b, 30c, 30d...barrier area, 32...flux barrier,
32a...first bridge part, 32b...second bridge part, 34...secondary conductor,
35a...Inner circumference side edge (barrier side edge), 35b...Outer circumference side edge

Claims (2)

中心軸線の回りで回転自在なシャフトと、
円周方向に並んだ４つの磁極を有し前記シャフトに同軸的に固定された回転子鉄心と、
を備え、
前記中心軸線に直交する前記回転子鉄心の横断面において、隣合う磁極間の境界および前記中心軸線を通り径方向に延在する軸をｄ軸、前記ｄ軸に対して磁気的に直交する軸をｑ軸とすると、
前記回転子鉄心は、周方向に隣合う２つのｑ軸間の領域において径方向に間隔を置いて並んで形成された複数層のバリア領域を有し、
各バリア領域は、前記回転子鉄心の外周面の一部の近傍から前記ｄ軸を通って前記外周面の他の部分の近傍まで延在するフラックスバリアと、前記フラックスバリアの一端と前記外周面との間に位置する回転子鉄心で形成された第１ブリッジ部と、前記フラックスバリアの他端と前記外周面との間に位置する回転子鉄心で形成された第２ブリッジ部と、を有し、少なくとも最も前記外周面側に設けられた前記バリア領域のフラックスバリアに非磁性導電体が充填され、
前記外周面に接する外接円の半径をＲ、周方向に隣合う２つのｑ軸をＸ座標およびＹ座標とする双曲線の方程式をｘｙ－ａ＝０としたとき、
前記径方向において最も前記外周面側に設けられた前記バリア領域を規定している前記外周面側のバリア側縁が前記外接円と一致し、前記中心軸側のバリア側縁が前記双曲線に沿って延び、さらに、０．５５＜ ２ａ／Ｒ２ ＜０．８４の範囲内に位置している
回転子。 A shaft that can freely rotate around the central axis,
a rotor core having four magnetic poles arranged in a circumferential direction and coaxially fixed to the shaft;
Equipped with
In a cross section of the rotor core perpendicular to the central axis, an axis extending radially through the boundary between adjacent magnetic poles and the central axis is a d-axis, and an axis magnetically perpendicular to the d-axis. If the q-axis is
The rotor core has a plurality of barrier regions formed side by side with intervals in the radial direction in a region between two circumferentially adjacent q-axes ,
Each barrier region includes a flux barrier extending from near a part of the outer peripheral surface of the rotor core through the d-axis to near another part of the outer peripheral surface, and one end of the flux barrier and the outer peripheral surface. a first bridge portion formed of a rotor core located between the flux barrier and a second bridge portion formed of a rotor core located between the other end of the flux barrier and the outer peripheral surface. and at least a flux barrier in the barrier region provided closest to the outer peripheral surface is filled with a non-magnetic conductor,
When the radius of the circumscribed circle in contact with the outer circumferential surface is R, and the equation of a hyperbola where the X and Y coordinates are the two q axes adjacent in the circumferential direction is xy-a = 0,
The barrier side edge on the outer circumferential surface side defining the barrier region provided closest to the outer circumferential surface side in the radial direction coincides with the circumscribed circle, and the barrier side edge on the central axis side is aligned along the hyperbola. and further located within the range of 0.55<2a/ R2 <0.84. 前記中心軸線側のバリア側縁は、０．５５＜ ２ａ／Ｒ２ ＜０．７８の範囲内に位置している請求項１に記載の回転子。 The rotor according to claim 1, wherein the barrier side edge on the central axis side is located within a range of 0.55<2a/ R2 <0.78.
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